Universität zu Köln

Identification of developmental functions for Arabidopsis thaliana genes by a reverse genetics approach based on analysis of H3K27me3 distribution

Engelhorn, Julia Carina (2011) Identification of developmental functions for Arabidopsis thaliana genes by a reverse genetics approach based on analysis of H3K27me3 distribution. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Polycomb Group (PcG) protein mediated gene repression is essential for normal development in both plants and animals, as demonstrated by severe developmental defects resulting from their loss-of-function. PcG proteins convey repression of target genes by tri-methylation of lysine 27 of histone 3 (H3K27me3). Many H3K27me3 decorated genes encode developmental regulators in Arabidopsis thaliana and developmental functions are particularly overrepresented in tissue specific sub sets of H3K27me3 targets. This study identified 105 genes specifically expressed in the shoot apex and floral organs by transcriptional clustering analysis, which are particularly enriched for shoot developmental functions according to Gene Ontology analysis. As half of the genes in this group were not characterised in detail, these were screened for a role in shoot development by analysing loss-of-function mutants and selected can- didate gene overexpessor plants. Fourteen putative Development related PcG Targets in the Apex (DPAs) were identified. For five DPA putants developmental abnormalities were confirmedly associated with the respective loci. Among them were genes related to flowering time, leaf size and leaf shape regulation. dpa4 loss-of-function plants display enhanced leaf serrations and enlarged petals, while leaf margins of 35S::DPA4 plants are smooth. DPA4 encodes for a putative RAV (Related to ABI3/VP1) transcriptional repressor and is expressed in the lateral organ boundary region and in leaf sinuses. Total leaf area and cell numbers are not altered in dpa4 plants, suggesting that DPA4 regulates leaf margin outgrowth by inhibiting growth towards leaf serrations. DPA4 expression domains widely overlap with those of CUP-SHAPED COTYLEDON 2, known to regulate leaf margin shape. Genome-wide transcriptional profiling in dpa4 apices revealed 77 differentially expressed genes. An overrepresentation of auxin-response elements in the promoters of these otherwise poorly characterised genes indicates a role for DPA4 in auxin- mediated signalling. This is further supported by an auxin-influx carrier mutant-like phenotype observed for 35S::DPA4 plants displaying left-hand twisted rosette leaves. Taken together, the data confirm that DPA4, which was identified as a candidate by this reverse genetics screen, is a newly identified player in the signalling network controlling leaf serrations in Arabidopsis thaliana.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die von Proteinen der Polycomb Gruppe (PcG) vermittelte Repression von Genen ist sowohl für die Entwicklung von Pflanzen als auch von Tieren essentiell. Ein Verlust dieser Repression hat schwerwiegende Entwicklungsdefekte zur Folge. PcG Proteine vermitteln die Repression von Zielgenen über eine Trimethylierung von Lysin 27 an Histon 3 (H3K27me3). Viele mit H2K27me3 markierte Gene kodieren Entwicklungsregulatoren in Arabidopsis thaliana und Entwicklungsfunktionen sind besonders in kleinen, gewebespezifisch expremierten Untergruppen überrepräsentiert. In der vorliegenden Arbeit wurden durch transcriptionelle Cluster Analyse 105 Gene ausgewählt, die spezifisch im Apex und in floralen Organen expremiert und beruhend auf einer Gene Ontology Analyse besonders für Entwicklungsfunktionen angereichert sind. Da die Hälfte der Gene aus dieser Gruppe nicht detailliert charakterisiert waren, wurden sie mit Hilfe von Funktionsverlust-Mutanten und Überexpressoren der Kandidaten bezüglich einer Rolle in der Sproßentwicklung untersucht. Es wurden 14 mutmaßliche entwicklungsbezogene PcG Zielgene (Englisch: Development related PcG Targets in the Apex (DPAs)) identifiziert. Für fünf davon konnte ein Assoziation der Entwicklungsabnormalitäten mit dem jeweiligen Locus bestätigt werde. Darunter waren Gene, die im Zusammenhang mit Blühzeitpunktsteuerung und Blattgröße- sowie Blattformregulierung stehen. Funktionsverlust-Mutanten von DPA4 zeigen verstärkte Einkerbungen der Blätter und vergrößerte Blütenblätter, während die Blattränder in 35S::DPA4 Pflanzen glatt sind. DPA4 kodiert einen mutmaßlichen RAV Transkriptionsrepressor und wird in der Grenzregion zu lateralen Organen und im Sinus von Blättern expremiert. Blattfläche und Zellzahl sind in dpa4 insgesamt nicht verändert, was darauf hindeutet, dass DPA4 den Auswuchs des Blattrandes durch eine Hemmung des Wachstums zu den Blattzähnen hin reguliert. Die Expressionsdomänen von DPA4 überlappen zu großen Teilen mit der von CUP-SHAPED COTYLEDON 2, einem bekannten Regulator für Blattrandform. Eine genomweite Transcriptionsanalyse in dpa4 Apices zeigte 77 differentiell expremierte Gene. Eine Überrepräsentierung von “Auxin-Antwort Elemen- ten” (auxin-response elements) in den Promotoren dieser ansonsten wenig charakterisierten Gene weißt auf eine Rolle von DPA4 im Auxin-Signalweg hin. Dies wird ebenfalls durch Ähnlichkeiten zwischen 35S::DPA4 Pflanzen und Mutanten des Auxin- Influx Systems unterstützt, die beide linkshändig gedrehte Rosettenblätter aufwei- sen. Zusammengenommen bestätigen die Daten DPA4, das in diesem reversen gene- tischen Screen als Kandidat identifiziert wurde, als einen neuen Beteiligten im Signalweg der Kontrolle von Blatteinkerbungen in Arabidopsis thaliana.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Engelhorn, Julia Carinaj.engelhorn@web.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-43326
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    plant developmentEnglish
    English
    English
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: 2011
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 02 February 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 27 Sep 2011 08:20:17
    Referee
    NameAcademic Title
    Coupland, GeorgeProf. Dr.
    Werr, WolfgangProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4332

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